DE102010030143A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid Download PDF

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Abstract

Zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid (3) werden durch das Fluid (3) hindurch Bilder eines Hintergrundobjekts (10) aufgenommen und miteinander verglichen, um eine räumliche Verschiebung mindestens einer Dichteschwankung (8) des Fluids (3) mit der Zeit zu erfassen. Dabei wird räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid (3) unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid (3) eingebracht, um die mindestens eine Dichteschwankung (8) in dem Fluid (3) zu generieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine dazu geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 17.
  • Die interessierenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten können ein Vektorfeld von Strömungsgeschwindigkeiten in einen interessierenden Bereich der Strömung sein. Bei den interessierenden Strömungsgeschwindigkeiten kann es sich aber auch um den Geschwindigkeitsvektor oder auch nur eine bestimmte Komponente dieses Vektors an einem bestimmten Ort der Strömung handeln. Letzteres beispielsweise dann, wenn die Geschwindigkeit eines fliegenden Objekts gegenüber dem es umgebenden Fluid von Interesse ist, wobei sich das Fluid aufgrund der Geschwindigkeit des fliegenden Objekts relativ zu diesem und einer darauf angeordneten Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bewegt.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Verfahren mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 17 sind aus der DE 10 2006 047 286 A1 bekannt. Hier werden zum Bestimmen von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids in einem Fluidvolumen mit mindestens zwei, aus unterschiedlichen Richtungen auf das Fluidvolumen gerichteten Kameras zu mindestens zwei Zeitpunkten Bilder aufgenommen, in denen ein ortsfester Hintergrund durch das Fluidvolumen hindurch abgebildet wird. Aus Deformationen des Hintergrunds in den zu jeweils einem Zeitpunkt aufgenommenen Bildern wird auf die räumliche Lage von Dichteschwankungen des Fluids in dem Fluidvolumen geschlossen. Anhand der zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Bilder werden räumliche Verschiebungen der Dichteschwankungen verfolgt; und aus den Verschiebungen und dem Abstand der Zeitpunkte werden die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids bestimmt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Verlagerungen der Dichteschwankungen zumindest bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 0,3 Mach den räumlichen Bewegungen des Fluids selbst entsprechen. Auch hinauf bis zu 0,5 Mach werden Gasströmungen als hinreichend kompressibel bezeichnet, dass aus Lageveränderungen von Dichteschwankungen auf die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten geschlossen werden kann. Erst in einem Bereich deutlich über 0,5 Mach, wobei sich diese Angabe auf die Schallgeschwindigkeit in dem betrachteten Fluid bezieht, soll das bekannte Verfahren mit zunehmenden Ungenauigkeiten verbunden sein, bis es schließlich nahe 1 Mach unanwendbar wird. Als Dichteschwankungen, deren räumliche Verschiebung bei dem bekannten Verfahren verfolgt wird, werden lokale Extrema, d. h. Maxima und/oder Minima der Dichte des Fluids und alternativ lokale Extrema, d. h. wiederum Maxima und/oder Minima eines Gradienten der Dichte des Fluids betrachtet. Auch lokale Extrema einer räumlichen Ableitung eines Gradienten der Dichte des Fluids sollen verwendet werden können. Derartige Dichteschwankungen sollen in Folge von Konzentrationsunterschieden unterschiedlicher Bestandteile des Fluids, Temperaturdifferenzen selbst in Folge unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit und des Fluids in ausreichendem Umfang natürlich auftreten.
  • In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass einerseits viele strömende Fluide keine für die Anwendung des bekannten Verfahrens ausreichende Dichteschwankungen aufweisen und andererseits in strömenden Fluiden natürlich auftretende Dichteschwankungen häufig ein eigenes Geschwindigkeitsfeld aufweisen, das mit dem Geschwindigkeitsfeld der Strömung wechselwirkt, so dass aus der räumlichen Verlagerung der Dichteschwankungen keine sinnvollen Rückschlüsse auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, in dem diese Dichteschwankungen auftreten, möglich sind. Zudem sollen bei dem bekannten Verfahren die BOS(Background Oriented Schlieren)-Technik zur Erfassung der Dichteschwankungen zur Anwendung kommen, die vergleichsweise komplex ist.
  • Vorteilhaft bei dem aus der DE 10 2006 047 286 A1 bekannten Verfahren ist jedoch, dass es grundsätzlich ohne das Beimpfen der Strömung mit lichtstreuenden Partikeln auskommt, wie sie in der PIV (Partikel Image Velocimetry) verwendet werden. Vielfach ist ein derartiges Beimpfen einer Strömung nicht möglich, weil hierdurch beispielsweise ein einem Reaktor zugeführtes Gas verunreinigt würde oder weil der interessierende Bereich einer Strömung für eine Beimpfung nicht zugänglich ist, ohne die Strömung grundsätzlich zu stören, oder weil mit der Beimpfung der Strömung mit jedweden Partikeln unerwünschte abrasive Effekte auf angrenzende Oberflächen verbunden wären.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 18 aufzuzeigen, mit denen lokale Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid mit geringem Aufwand genau bestimmbar sind, ohne dass dem Fluid Partikel zugesetzt werden müssen.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 18 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bei dem neuen Verfahren werden zwar wie im Stand der Technik zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in dem strömenden Fluid durch das Fluid hindurch Bilder eines Hintergrundobjekts aufgenommen und miteinander verglichen, um eine räumliche Verschiebung mindestens einer Dichteschwankung des Fluids mit der Zeit zu erfassen. Diese mindestens eine Dichteschwankung wird aber künstlich in das Fluid eingebracht, in dem räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid eingebracht wird. Durch die räumliche und zeitliche Begrenzung des Energieeintrags bzw. der Einbringung des Fremdfluids in das Fluid ist die Dichteschwankung räumlich begrenzt und weist kein eigenes Geschwindigkeitsfeld auf, das mit dem Geschwindigkeitsfeld der umgebenden Strömung wechselwirken könnte. Zwar ist ein gewisses Volumenwachstum einer durch kurzzeitige Einbringung von Energie oder eines Fremdfluids in das Fluid generierten Dichteschwankung nicht zu vermeiden, doch ist es ohne weiteres möglich, die Ausdehnung der Dichteschwankung so klein zu halten, dass sie für relevante Beobachtungszeiträume keine Lageveränderung durch Konvektion erfährt und aufgrund ihrer Ausdehnung auch keine Sekundärströmung in ihrer Umgebung generiert.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Energie oder das Fremdfluid bei dem neuen Verfahren räumlich und/oder zeitlich punktuell in das Fluid eingebracht wird, wobei hier mit punktuell quasi-punktförmig gemeint ist, da eine gewisse räumliche und zeitliche Ausdehnung des Bereichs des Energieeintrags bzw. des eingebrachten Fremdfluids grundsätzlich unvermeidbar ist.
  • Konkret kann die Energie zur Generierung der Dichteschwankung durch fokussiertes Licht in das Fluid eingebracht werden. Dabei kann die Lichtintensität am Fokus so weit konzentriert werden, dass ein Plasma in dem Fluid gezündet wird. Ein solches Plasma ist Voraussetzung für die Absorption weiteren Lichts in einem räumlich eng begrenzten Bereich, um die gewünschte Dichteschwankung nur durch das Licht hervorzurufen.
  • Leichter als durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch das Fluid selbst kann die Energie durch Aufheizen einer an das Fluid angrenzenden Oberfläche in das Fluid eingebracht werden. Auch dies kann durch fokussiertes Licht geschehen. Alternativ kann die Oberfläche räumlich und zeitlich begrenzt elektrisch aufgeheizt werden. Dabei schließt die zeitliche Begrenzung hier wie in allen anderen Fällen auch eine periodische Variation des Energieeintrags ein, wobei bei jeder Periode eine als solche identifizierbare Dichteschwankung generiert wird.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das Licht zur direkten Generierung der Dichteschwankung in dem Fluid oder auch zur Generierung der Dichteschwankung durch eine an das Fluid angrenzende örtlich erhitzte Oberfläche Pulse aus Laserlicht aufweist.
  • Die notwendige Energie für die Erzeugung der gewünschten Dichteschwankung kann auch auf direktem Wege elektrisch in das Fluid eingebracht werden, beispielsweise durch einen Hochspannungsdurchschlag längs einer Funkenstrecke zwischen zwei Elektroden.
  • Das Fremdfluid kann zum Beispiel mit einer Injektionskanüle und/oder durch ein Loch in einer an das Fluid angrenzenden Oberfläche in das Fluid eingebracht werden.
  • Bei dem neuen Verfahren kann ein interessierender Bereich der Strömung mit dem Ort des Einbringens der Energie oder des Fremdfluids abgerastert werden, um den jeweils in dem Ort des Einbringens beginnenden Strömungsvektor zu erfassen.
  • Die räumliche Ausrichtung dieses Strömungsvektors kann dadurch ermittelt werden, dass die Bilder des Hintergrundobjekts gleichzeitig aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen, d. h. mit einer stereoskopischen Kameraanordnung aufgenommen werden.
  • Die Auswertung der durch das Fluid aufgenommenen Bilder des Hintergrundobjekts ist bei dem neuen Verfahren extrem einfach, weil durch das Einbringen der Energie bzw. des Fremdfluids in die Strömung jeweils genau eine Dichteschwankung in jedem Bild zu finden ist, und es nur noch darauf ankommt, deren Lage zu bestimmen. Isoliert werden kann das Bild der Dichteschwankung einfach dadurch, dass Differenzbilder jeweils eines Bilds des Hintergrundobjekts mit Dichteschwankung und eines Bilds des Hintergrundobjekts ohne Dichteschwankung generiert werden. Diese Differenzbilder zeigen nur die jeweilige Dichteschwankung, weil sich nur dort, wo sich die jeweilige Dichteschwankung vor dem Hintergrundobjekt befindet, das Abbild des Hintergrundobjekts in den mit Dichteschwankung aufgenommenen Bildern gegenüber dem ohne Dichteschwankung aufgenommenen Referenzbild verändert hat. Als Lage der Dichteschwankung in dem jeweiligen Bild kann sehr einfach der Schwerpunkt des Differenzbilds bestimmt werden, wenn das Differenzbild zuvor binarisiert und in einer Matrix gespeichert wird. Wenn der Spaltenindex der Matrix I und ihr Zahlenindex J ist, gilt für die Zahl der Bildelemente Z = I × J und für die Lage des Schwerpunkts des Differenzbilds
    Figure 00050001
  • Hier ist x ein ”mal”, die Werte von m(i, j) sind null oder eins und geben den Betrag der mit einem Schwellwert binarisierten Intensität des Differenzbilds wieder. Der Wert der zweiten Komponente j' des Schwerpunkts ergibt sich durch Vertauschen der Indizes. Die entsprechenden Geschwindigkeitskomponenten ergeben sich aus den Differenzen von i' und j' zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Differenzbildern. Statt aus einem ersten Differenzbilds kann auch aus dem Ort und dem Zeitpunkt des Einbringens der Energie oder des Fremdfluids in das Fluid auf den Ausgangspunkt des jeweiligen Geschwindigkeitsvektors geschlossen werden, wenn diese Daten mit ausreichender Genauigkeit zur Verfügung stehen.
  • Neben der Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten, für die im Detail die Abbildungsverhältnisse der eingesetzten Kameras zu berücksichtigen sind, kann mit dem neuen Verfahren auch auf eine lokale Temperaturverteilung des Fluids geschlossen werden, weil die Zunahme einer räumlichen Ausdehnung der Dichteschwankung in zwei zeitich aufeinander folgenden Differenzbildern von der Temperatur des Fluids in der Umgebung der Dichteschwankung abhängig ist.
  • Die neue Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten weist als charakteristischen Bestandteil eine Einbringungsseinrichtung auf, mit der räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid einbringbar ist, um die mindestens eine Dichteschwankung in dem Fluid zu generieren. Die Einbringungsseinrichtung kann einen Laser und eine einen Laserstrahl des Lasers fokussierende Optik aufweisen. Die Einbringungsseinrichtung kann alternativ einen Hochspannungsgenerator oder zum Einbringen eines Fremdfluids eine über ein Ventil an einen Speicher für das Fremdfluid angeschlossene Injektionskanüle umfassen.
  • Das Hintergrundobjekt der Vorrichtung ist vorzugsweise ein stochastiches Punktemuster auf einer reflektierenden Folie, das während der Belichtungen der Bilder des Hintergrundobjekts kurzzeitig beleuchtet wird. Dabei kann die Dauer der Beleuchtung die Belichtungszeit des jeweiligen Bilds definieren. Alternativ kann die Dauer der Beleuchtung mittels eines Verschlusses der jeweiligen Kamera definiert werden. Die Beleuchtung des Hintergrundobjekts kann günstiger Weise mit einer LED-Lampe erfolgen, in der die LED mit einem weit über ihrem Nennstrom liegenden kurzzeitigem Strom beaufschlagt wird, um sehr kurze Lichtpulse hoher Lichtintensität zu generieren.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
  • 1 skizziert eine erste Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids in einer Seitenansicht.
  • 2 zeigt die Vorrichtung gemäß 1 in einer Frontalansicht.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von lokalen wandnahen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids.
  • 4 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer stereoskopischen Kameraanordnung.
  • 5 skizziert eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs; und
  • 6 skizziert die Auswertung der bei dem Verfahren aufgenommenen Bilder eines Hintergrundobjekts.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • Die in den 1 und 2 in zwei Ansichten gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in der Strömung 2 eines Fluids 3. Hierzu wird mit einem Laser 4 und einer diesem vorgeschalteten fokussierenden Optik 5 ein Laserstrahl 6 in einen Fokuspunkt 7 innerhalb des Fluids 3 fokussiert, um dort kurzzeitig und über ein kleines Volumen ein Plasma zu zünden, das eine erhöhte Absorption für die Lichtenergie des Laserstrahls 6 aufweist und so durch Aufheizen des Fluids ermöglicht, eine räumlich begrenzte Dichteschwankung 8 in dem Fluid 3 zu generieren. Diese Dichteschwankung weist kein eigenes Geschwindigkeitsfeld auf und wandert mit der Strömung wie ein der Strömung zugesetzter kleiner Partikel. Diese Wanderung wird beobachtet, indem mit einer Kamera 9 Bilder eines Hintergrundobjekts 10 aufgenommen werden, bei dem es sich hier um ein stochastisches Punktemuster 11 handelt, das auf eine reflektierende Folie 12 aufgedruckt ist und von einer hier nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet wird, die mit der Kamera 9 synchronisiert sein kann. Dort wo sich die Dichteschwankung 8 vor dem Hintergrundobjekt 10 befindet, resultieren Verschiebungen oder andere Verzeichnungen der Punkte des Punktemusters, die durch einen Vergleich mit einem Bild des Hintergrundobjekts 10 ohne die Dichteschwankung 8 leicht lokalisiert werden können.
  • 3 skizziert eine alternative Einbringung von Energie in das Fluid 3 zur Erzeugung der Dichteschwankung 8. Hierzu wird der Laserstrahl 6 des Lasers 4 mit der fokussierenden Optik 5 auf die Oberfläche 13 des Hintergrundobjekts 10 fokussiert, um diese räumlich und zeitlich begrenzt zu erhitzen, wodurch das an diese erhitzte Oberfläche 13 angrenzende Fluid 3 erwärmt wird, so dass die räumlich begrenzte Dichteschwankung 8 entsteht. Alternativ könnte ein kleiner Bereich der Oberfläche 13 elektrisch beheizt werden, beispielsweise durch ein Widerstandsheizelement. Die räumlich und zeitlich begrenzte Erhitzung des Fluids 3 über eine angrenzende Oberfläche 13 bietet sich insbesondere bei Strömungen 2 von Fluid 3 in einem engen Kanal 14 an, wie er hier durch eine Begrenzungslinie 15 skizziert ist. Bis auf die Art und Weise der Erzeugung der räumlich und zeitlich begrenzten Dichteschwankung 8 unterscheidet sich die Funktion der in 3 skizzierten Vorrichtung nicht von derjenigen, die in den 1 und 2 skizziert ist.
  • Die Vorrichtung 1 gemäß 4 umfasst anders als dargestellt auch einen Laser und eine fokussierende Optik, um den Laserstrahl 6 in dem Fluid 3 zu fokussieren. Hier wird die räumliche Lage der generierten Dichteschwankung 8 mit zwei Kameras 9, 19 durch Aufnehmen von stereoskopischen Bildern des Hintergrundobjekts 10 erfasst. Dabei kann das gesamte Geschwindigkeitsfeld der Strömung 2 des Fluids 3 – wie auch bei den anderen Vorrichtungen 1 gemäß den 1 bis 3 – durch Verschieben des Fokuspunkts 7 abgerastert werden.
  • Die in 5 skizzierte Vorrichtung 1 dient zur Messung der Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs, von dem hier nur eine Auftriebsfläche 16 angedeutet ist. Das stochastische Punktemuster 11 als Hintergrundobjekt 10 ist auf diese Auftriebsfläche 16 aufgedruckt und wird mit der Kamera 9 beobachtet. Die lokalen Dichteschwankungen werden durch Gasentladung zwischen zwei Hochspannungselektroden 17 und 18 generiert, an die ein Hochspannungsgenerator 20 Spannungspulse anlegt. Auch hier wird die Dichteschwankung 8 von der Strömung 2 des Fluids 3 mitgenommen und ihre Wanderung längs des Seitenleitwerks 16 wird durch die von ihr beeinflussten Bilder des Hintergrundobjekts 10 erfasst.
  • 6 skizziert die Auswertung der Bilder des Hintergrundobjekts zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit in dem Fluid. Von Bildern 21 und 22 des Hintergrundobjekts mit davorliegender Dichteschwankung zu unterschiedlichen Zeitpunkten wird die Differenz zu einem Referenzbild 23 ohne das Hintergrundobjekt gebildet. Die Differenzbilder 24 und 25 weisen nur an den Stellen des Hintergrundobjekts, vor denen sich die Dichteschwankung befand, Signal 26 bzw. 27 auf. Der Abstand des Schwerpunkts dieser Signale ist – bis auf die Abbildungsverhältnisse, die es zu berücksichtigen gilt, der gesuchte Geschwindigkeitsvektor 28, d. h. die lokale Strömungsgeschwindigkeit des Fluid. Dieser Geschwindigkeitsvektor 28 kann für alle interessierenden Bereiche durch Abrastern dieser Bereiche mit dem Ort des Energieantrags in das Fluid bestimmt werden.
  • Das Fluid ist bei den hier beschriebenen Verfahren zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere ein Gas bzw. eine Gasmischung, wie beispielsweise Luft. Es kann sich aber auch um eine Flüssigkeit handeln. In jedem Fall muss das Fluid für das Aufnehmen der Bilder des Hintergrundobjekts durch das Fluid hindurch ausreichend transparent sein.
  • Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es grundsätzlich möglich, den Energieeintrag in das Fluid zur Erzeugung mehrere Dichteschwankungen 8 an voneinander beabstandeten Orten vorzusehen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Orte der Generation der Dichteschwankung 8 so weit voneinander entfernt liegen, so dass auch nach längeren Laufzeiten keine Verwechslungen zwischen ihnen möglich sind. Das Verfahren kann aber auch tatsächlich mit jeweils nur einer einzigen Dichteschwankung in jedem Bild durchgeführt werden. In diesem Fall ist die Auswertung der Bilder besonders einfach. Sie kann auch entsprechend schnell durchgeführt werden, so dass nicht die gesamten Bilder sondern nur die daraus gewonnenen Geschwindigkeitsvektoren abgespeichert werden können, um Speicherplatz einzusparen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Vorrichtung
    2
    Strömung
    3
    Fluid
    4
    Laser
    5
    Optik
    6
    Laserstrahl
    7
    Fokuspunkt
    8
    Dichteschwankung
    9
    Kamera
    10
    Hintergrundobjekt
    11
    Punktemuster
    12
    reflektierende Folie
    13
    Oberfläche
    14
    Kanal
    15
    Begrenzungslinie
    16
    Seitenleitwerk
    17
    Hochspannungselektrode
    18
    Hochspannungselektrode
    19
    Kamera
    20
    Hochspannungsgenerator
    21
    Bild
    22
    Bild
    23
    Referenzbild
    24
    Differenzbild
    25
    Differenzbild
    26
    Signal
    27
    Signal
    28
    Geschwindigkeitsvektor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006047286 A1 [0003, 0005]

Claims (22)

  1. Verfahren zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid (3), wobei durch das Fluid hindurch Bilder (21, 22) eines Hintergrundobjekts (10) aufgenommen und miteinander verglichen werden, um eine räumliche Verschiebung mindestens einer Dichteschwankung (8) des Fluids (3) mit der Zeit zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid (3) unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid (3) eingebracht wird, um die mindestens eine Dichteschwankung (8) in dem Fluid (3) zu generieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie oder das Fremdfluid räumlich punktuell in das Fluid (3) eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie oder das Fremdfluid zeitlich punktuell in das Fluid (3) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie durch fokussiertes Licht in das Fluid (3) eingebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht am Fokus (7) ein Plasma in dem Fluid (3) zündet.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie durch Aufheizen einer an das Fluid (3) angrenzenden Oberfläche (13) in das Fluid (3) eingebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) durch fokussiertes Licht aufgeheizt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) elektrisch aufgeheizt wird.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 4, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht Pulse aus Laserlicht aufweist.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie elektrisch in das Fluid (3) eingebracht wird.
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fremdfluid mit einer Injektionskanüle und/oder durch ein Loch in einer an das Fluid (3) angrenzenden Oberfläche (13) in das Fluid (3) eingebracht wird.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein interessierender Bereich der Strömung (2) mit dem Ort des Einbringens der Energie oder des Fremdfluids abgerastert wird.
  13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (21, 22) des Hintergrundobjekts (10) gleichzeitig aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen aufgenommen werden.
  14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Differenzbilder (24, 25) jeweils eines Bilds (21, 22) des Hintergrundobjekts (10) mit Dichteschwankung (8) und eines Referenzbilds (23) des Hintergrundobjekts (10) ohne Dichteschwankung (8) generiert werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Signal (26, 27) jedes Differenzbilds (24, 25) ein Schwerpunkt bestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Lageverschiebung des Schwerpunkts zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Differenzbildern (24, 25) auf eine Verschiebung der Dichteschwankung geschlossen wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Zunahme einer räumlichen Ausdehnung der Dichteschwankung (8) in zwei zeitlich aufeinander folgenden Differenzbildern (24, 25) auf eine Temperatur des Fluids (3) in der Umgebung der Dichteschwankung (8) geschlossen wird.
  18. Vorrichtung (1) zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid (3) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Hintergrundobjekt (10) und mit mindestens einer Kamera (9, 19), um durch das Fluid (3) hindurch Bilder (21, 22) des Hintergrundobjekts (10) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einbringungseinrichtung vorgesehen ist, mit der räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid (3) unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid (3) einbringbar ist, um mindestens eine Dichteschwankung (8) in dem Fluid (3) zu generieren.
  19. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringungseinrichtung einen Laser (4) und eine einen Laserstrahl (6) des Lasers (4) fokussierende Optik (5) aufweist.
  20. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringungseinrichtung einen Hochspannungsgenerator (20) aufweist.
  21. Vorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringungseinrichtung eine über ein Ventil an einen Speicher für das Fremdfluid angeschlossene Injektionskanüle aufweist.
  22. Vorrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Hintergrundobjekt (10) ein stochastisches Punktemuster (11) auf einer reflektierenden Folie (12) ist.
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